मोर के पंख को पीस दीजिए, नीला रंग ग़ायब हो जाएगा। उसमें नीला कभी था ही नहीं

मोर की पूँछ का एक पंख लीजिए, या नीली मॉर्फ़ो तितली का पंख, और उसे पीसकर चूर्ण बना दीजिए। नीला रंग नहीं बचेगा। हाथ में रह जाएगी फीकी भूरी धूल — और जो रंजक आप ढूँढ़ रहे थे वह वहाँ है ही नहीं, क्योंकि वह कभी था ही नहीं।

मोर के पंख का, मॉर्फ़ो तितली का, किलकिले का, भृंग के कवच का और ज़्यादातर नीले पक्षियों का नीलापन कोई पदार्थ नहीं है। वह एक आकृति है। ये जीव रंग बनाते हैं वास्तुकला से, जो कुछ सौ नैनोमीटर के पैमाने पर बनी होती है — और उस वास्तुकला को बिगाड़ देने से रंग चला जाता है, जबकि हर अणु ज्यों का त्यों बना रहता है।

यही संरचनात्मक रंग है, और यह इस बात का सबसे साफ़ उपलब्ध सबूत है कि काफ़ी छोटे पैमाने पर ज्यामिति ऐसे बर्ताव करती है मानो वह रसायन हो।

रंग पाने के दो बिलकुल अलग तरीक़े

रंजक अवशोषण से काम करता है। वह ऐसा अणु है जिसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना उसे कुछ ख़ास तरंगदैर्घ्य सोखने देती है; जो वह नहीं सोखता वह परावर्तित या पारगमित होता है, और वही बचा हुआ हिस्सा आपको रंग के रूप में दिखता है। क्लोरोफ़िल लाल और नीला सोखता है और हरा छोड़ देता है। रंग पदार्थ का गुण है, और वह पदार्थ के साथ चलता है — पीस दीजिए, घोल दीजिए, रंग साथ आएगा।

संरचनात्मक रंग व्यतिकरण से काम करता है। एक सतह से परावर्तित रोशनी उससे बहुत थोड़ी दूरी पर मौजूद दूसरी सतह से परावर्तित रोशनी से मिलती है। दूसरी किरण ने जितनी अतिरिक्त दूरी तय की, उसके हिसाब से दोनों तरंगें या तो एक-दूसरे को बढ़ाती हैं या काट देती हैं — और चूँकि अतिरिक्त दूरी ज्यामिति से तय है जबकि तरंगदैर्घ्य पूरे वर्णक्रम में बदलती है, कुछ रंग बढ़ जाते हैं और कुछ मिट जाते हैं। कुछ सोखा नहीं जाता। रंग सजावट का गुण है।

इस फ़र्क़ के नतीजे बिना किसी उपकरण के देखे जा सकते हैं। संरचनात्मक रंग अक्सर देखने के कोण के साथ बदलते हैं, क्योंकि वस्तु झुकाने से पथ-अंतर बदल जाता है। वे किसी भी रंजक से कहीं ज़्यादा चटख हो सकते हैं, क्योंकि बढ़ावा किसी एक तरंगदैर्घ्य की लगभग पूरी रोशनी आपकी ओर लौटा सकता है। और भीगने या पिसने पर वे अजीब बर्ताव करते हैं, क्योंकि दोनों संरचना में दख़ल देते हैं।

संरचनाओं का नैनो पैमाने का होना मजबूरी क्यों है

यहीं यह विषय पक्षियों की दिलचस्प बात न रहकर नैनोटेक्नोलॉजी का विषय बन जाता है।

व्यतिकरण के लिए दो किरणों के बीच का पथ-अंतर प्रकाश की तरंगदैर्घ्य के आसपास होना चाहिए। दृश्य प्रकाश बैंगनी सिरे पर क़रीब 400 नैनोमीटर से लेकर लाल पर 700 तक फैला है। इसलिए जो परतें, अंतराल और दूरियाँ संरचनात्मक रंग बनाती हैं, उन्हें ख़ुद उसी क्रम का होना पड़ेगा — आम तौर पर तरंगदैर्घ्य का चौथाई या आधा, यानी निर्णायक नाप क़रीब 100 से 350 नैनोमीटर।

यह डिज़ाइन की पसंद नहीं है। यह भौतिकी की लगाई शर्त है। दृश्य प्रकाश को व्यतिकरण से साधना है तो दृश्य प्रकाश के पैमाने पर बनाना पड़ेगा, और वह पैमाना नैनो है। संरचनात्मक रंग दिखाने वाला हर जीव, सटीक अर्थ में, एक नैनो-निर्माण इकाई है — और इस असर को कारख़ाने में बनाने की हर कोशिश इसी समस्या से टकराती है कि बड़े क्षेत्रफल पर एक नाप को दसियों नैनोमीटर की सटीकता से संभालना है।

इसका मतलब यह भी है कि रंग मोटाई के प्रति बेहद संवेदनशील है। 20 नैनोमीटर मोटी परत साफ़ दिखने लायक़ अलग रंग लौटाती है। प्रकृति में यह सटीकता जैविक स्व-संयोजन से आती है; कारख़ाने में यही पूरी कठिनाई है।

एक नहीं, चार तंत्र

"संरचनात्मक रंग" के भीतर कई अलग प्रकाशिक व्यवस्थाएँ आती हैं, और कौन-सी कहाँ है यह जानने से समझ आता है कि कुछ रंग कोण के साथ बदलते हैं और कुछ नहीं।

पतली-फ़िल्म व्यतिकरण सबसे सरल है और वही जो सबने देखा है। साबुन का बुलबुला, या पानी पर तेल की परत, अपनी ऊपरी और निचली सतह से रोशनी लौटाते हैं; पथ-अंतर फ़िल्म की मोटाई से तय होता है, और मोटाई बदलते ही रंग बदल जाता है — इसीलिए बुलबुले पर पानी बहने और परत पतली होने के साथ रंगीन पट्टियाँ खिसकती दिखती हैं। कई भृंगों के कवच ठीक इसी तरह चलते हैं।

बहुपरत ढेर उसी तरकीब को दोहराते हैं। ऊँचे और नीचे अपवर्तनांक की बारी-बारी परतें, हर एक क़रीब चौथाई तरंगदैर्घ्य मोटी, हर सतह पर एक ही तरंगदैर्घ्य को एक ही कला में लौटाती हैं। बीस परतें दो से कहीं ज़्यादा तेज़ी से परावर्तन करती हैं — इसी से मॉर्फ़ो तितली इतना चटख नीला बनाती है कि वह दूर से दिख जाए। यही सिद्धांत जान-बूझकर बनाया जाए तो ब्रैग दर्पण कहलाता है, जो अब तक बने सबसे ऊँचे परावर्तन वाले दर्पण हैं और लेज़रों में लगते हैं।

फ़ोटॉनिक क्रिस्टल उस आवर्तिता को दो या तीन विमाओं तक ले जाते हैं। प्राकृतिक ओपल इसका शास्त्रीय उदाहरण है: सिलिका के उप-माइक्रोन गोले एक नियमित सरणी में सजे हुए, और उनकी दूरी तय करती है कि कौन-सी तरंगदैर्घ्य उस संरचना से गुज़र ही नहीं सकती और इसलिए लौट आती है। कुछ घुनों और समुद्री जीवों के शल्कों में सचमुच त्रिविमीय फ़ोटॉनिक संरचनाएँ होती हैं।

अर्ध-व्यवस्थित संरचनाएँ ज़्यादातर नीले पक्षियों के पीछे का तंत्र हैं, और इन पर ध्यान देना ज़रूरी है क्योंकि इनका वर्णन लगभग हर जगह ग़लत मिलता है। नीले पंखों के बारे में आम तौर पर कहा जाता है कि वे "रैले प्रकीर्णन से नीले हैं, आसमान की तरह"। वे नहीं हैं। पंख की शाखाओं में केराटिन का स्पंजी जाल होता है जिसमें एक जैसे नाप की हवा की रिक्तियाँ होती हैं, पर दूर तक फैली कोई नियमित व्यवस्था नहीं — और यही एकसमान दूरी ससंगत प्रकीर्णन पैदा करती है, यानी हर दिशा में एक ही तरंगदैर्घ्य-पट्टी पर रचनात्मक व्यतिकरण। पहचान आसान है: रैले प्रकीर्णन हर कोण से एक जैसा दिखता तो है, पर वह छोटी तरंगदैर्घ्य को एक चिकनी ढलान में ज़्यादा बिखेरता है, जबकि इन पंखों का एक निश्चित रंग होता है जो कोण बदलने पर भी क़रीब-क़रीब टिका रहता है। बिना आभा वाला संरचनात्मक रंग अर्ध-व्यवस्थित संरचना की निशानी है, और इंद्रधनुषी आभा व्यवस्थित परतदार संरचना की।

रंजक वह है जो किसी मटेरियल में होता है। संरचनात्मक रंग वह है जो कोई मटेरियल करता है। कुछ सोखा नहीं जाता, कुछ ख़र्च नहीं होता, और रंग तभी तक है जब तक ज्यामिति है।

यह फीका क्यों नहीं पड़ता

रंजक इसलिए फीके पड़ते हैं कि वे अणु हैं, और अणु टूटते हैं। पराबैंगनी रोशनी में इतनी ऊर्जा होती है कि वह उन संयुग्मित बंधों को तोड़ दे जिनसे रंग आता है, यानी रंजक प्रकाश-विरंजित हो जाता है — इसीलिए पर्दे खिड़की वाली तरफ़ से उड़ते हैं, इसीलिए पुराने छपे पोस्टर नीले-हरे पड़ जाते हैं क्योंकि पीला सबसे पहले मरता है, और इसीलिए पेंट में प्रकाश-स्थायित्व एक विनिर्देश होता है।

संरचना में उस अर्थ में टूटने को बंध हैं ही नहीं। जब तक भौतिक सजावट बची है, व्यतिकरण की शर्त वही है, और रंग बिलकुल वही है जो था। संग्रहालयों की दराज़ों में दो सौ साल पुराने तितली नमूने रखे हैं, जिनका संरचनात्मक नीला अब भी दमकता है जबकि उन्हीं पंखों पर रंजक से बने भूरे और पीले साफ़ तौर पर मुरझा चुके हैं।

यही टिकाऊपन इसका मुख्य व्यावसायिक आकर्षण है, और वह असली है। पेच भी उतना ही असली है: संरचना यांत्रिक रूप से और गंदगी से नष्ट हो सकती है। नीले पंख की हवा वाली रिक्तियाँ मिलते-जुलते अपवर्तनांक के किसी द्रव से भर दीजिए और नीला रंग सूखने तक ग़ायब रहेगा। बहुपरत को रगड़ दीजिए और वह ख़त्म। संरचनात्मक रंग फीका नहीं पड़ता, पर पोंछा जा सकता है।

इसे बनाया कैसे जाता है

इस भौतिकी का सबसे अहम व्यावसायिक उपयोग वही है जिसे ज़्यादातर लोग देख चुके हैं और पहचानते नहीं: इफ़ेक्ट पिगमेंट।

मोतियाभ या व्यतिकरण पिगमेंट आम तौर पर एक चपटा आधार होता है — प्राकृतिक अभ्रक, या कोई कृत्रिम बोरोसिलिकेट या ऐलुमिना फ़्लेक — जिस पर ऊँचे अपवर्तनांक वाले किसी मेटल ऑक्साइड की बहुत सटीक मोटाई वाली परत चढ़ाई जाती है, अक्सर टाइटेनियम डाइऑक्साइड या आयरन ऑक्साइड। फ़्लेक चपटा मंच देता है; ऑक्साइड की परत पतली फ़िल्म देती है। और रंग सिर्फ़ परत की मोटाई तय करती है: उसी अभ्रक पर वही टाइटेनियम डाइऑक्साइड परत मोटी होते-होते चाँदी-सफ़ेद, फिर सुनहरा, फिर लाल, फिर नीला देता है। एक ही रसायन, रंगों का पूरा परिवार — और चुनाव सिर्फ़ इस बात से कि निक्षेपण को दसियों नैनोमीटर की सटीकता से रोका कहाँ गया।

आधुनिक कार पेंट की गहराई, प्रसाधनों की चमक, पैकेजिंग के धात्विक असर और नोटों की दृश्य पहचान का एक हिस्सा — सब यही है। और यह उसी मेटल-ऑक्साइड कोटिंग नियंत्रण का सीधा उपयोग है जो तय करता है कि सनस्क्रीन पारदर्शी होगी या नहीं — मक़सद अलग, पर नीचे वही हुनर कि नियंत्रित ऑक्साइड परत ठीक वहीं बिठाई जाए जहाँ चाहिए।

परावर्तनरोधी कोटिंग इसी व्यतिकरण को उलटकर इस्तेमाल करती है। परावर्तन बढ़ाने के बजाय, सही अपवर्तनांक वाली चौथाई-तरंग परत ऐसी होती है कि उसकी ऊपरी सतह से लौटी रोशनी नीचे के आधार से लौटी रोशनी को काट दे। इसीलिए चश्मे या कैमरा लेंस की अच्छी AR कोटिंग पर हल्की बैंगनी या हरी झलक दिखती है — परत वर्णक्रम के बीच के लिए अनुकूलित होती है, इसलिए जो थोड़ा-सा बचता है वह सिरों से आता है।

प्रकृति यहाँ पहले पहुँची और बेहतर पहुँची। पतंगे की आँख पर तरंगदैर्घ्य से छोटे उभारों की चादर होती है, जो हवा से सतह तक अपवर्तनांक का क्रमिक बदलाव बनाती है, अचानक की छलाँग नहीं — और क्रमिक बदलाव तरंगदैर्घ्य व कोण की चौड़ी परास पर लगभग कुछ भी नहीं लौटाता। मॉथ-आई नैनोसंरचनाएँ ठीक इसी वजह से बनाई जा रही हैं, सौर कवच-काँच और डिस्प्ले पैनल पर, जहाँ वे परंपरागत कोटिंग से बेहतर करती हैं — और जहाँ निर्माण की समस्या फिर वही है: सौ नैनोमीटर का ढाँचा वर्ग मीटरों पर, चलने लायक़ क़ीमत में।

नक़ल-रोधी सुरक्षा तीसरा असली उपयोग है। कोण के साथ रंग बदलने वाली स्याही फ़ोटोकॉपी या स्कैनर से नहीं उतरती, क्योंकि वे दस्तावेज़ को एक ही तय ज्यामिति से देखते हैं। यह सीधे इंद्रधनुषी आभा से बनाया गया सुरक्षा फ़ीचर है।

जो अब तक नहीं आया

साफ़ सपना यह है कि संरचनात्मक रंग रंजकों और डाई की जगह ही ले ले: ऐसा कपड़ा जिसका रंग उसकी अपनी ज्यामिति से आए, जिसमें डाई न लगे और डाई का गंदा पानी न निकले, और ऐसा पेंट जो कभी फीका न पड़े। कपड़ा रंगाई दुनिया की सबसे प्रदूषणकारी औद्योगिक प्रक्रियाओं में है, इसलिए प्रेरणा गंभीर है।

फिर भी यह हुआ नहीं, और वजहें साफ़ कहने लायक़ हैं। किसी कपड़े या इमारत के क्षेत्रफल पर सटीक नियंत्रित नैनोसंरचना बनाना कपड़े को डाई में डुबोने के मुक़ाबले महँगा है। इंद्रधनुषी आभा — यानी कोण के साथ बदलता रंग — नोट के लिए ख़ूबी है और कमीज़ के लिए आम तौर पर ख़राबी, इसलिए बिना आभा वाली अर्ध-व्यवस्थित संरचनाएँ चाहिए, जिन्हें एकसमान बनाना ज़्यादा कठिन है। संरचनाएँ रगड़ से और रिक्तियाँ भर देने वाली हर चीज़ से कमज़ोर पड़ती हैं। और प्रयोगशाला में जो गहरे काले और चटख रंग यह तरीक़ा देता है, उनके लिए ऐसी चिकनाई और सफ़ाई चाहिए जो रोज़मर्रा की चीज़ों में नहीं होती।

प्रगति असली है, ख़ासकर इफ़ेक्ट पिगमेंट और सख़्त सतहों की कोटिंग में। पर यह वही क्षेत्र है जहाँ बायोमिमेटिक साहित्य विशाल है, तस्वीरें ख़ूबसूरत हैं, और उत्पाद शोध-पत्रों से कहीं कम — वही ढर्रा जो यह साइट नैनोट्यूब रेशों, सुपरकैपेसिटर इलेक्ट्रोड और जल-शोधन अधिशोषकों — सबके बारे में बता चुकी है।

छात्रों और शोधकर्ताओं के लिए इसका महत्व

संरचनात्मक रंग इस बात का दुनिया का सबसे सस्ता प्रदर्शन है कि बनावट ख़ुद एक मटेरियल-गुण है। इसे देखने के लिए दो आँखें चाहिए, और जाँचने के लिए पानी की एक बूँद — नीले पंख को भिगोकर रंग जाते देखना और सुखाकर लौटते देखना अपने आप में पूरा प्रयोग है, जो ज़्यादातर लोग आज दोपहर कर सकते हैं।

इसमें सुनी-सुनाई व्याख्याओं के बारे में एक सबक़ भी है, जो प्रकाशिकी से कहीं आगे तक चलता है। "नीले पंख रैले प्रकीर्णन से नीले हैं, आसमान की तरह" — यह वाक्य सुघड़ है, बहुत सारी पाठ्यपुस्तकों में मिलता है, और ग़लत है; सही व्याख्या अर्ध-व्यवस्थित नैनोसंरचना से ससंगत प्रकीर्णन है, और दोनों कोण-निर्भरता के बारे में अलग-अलग, जाँचे जा सकने वाले अनुमान देते हैं। जिसने यह पूछना सीख लिया कि "अगर यह व्याख्या सही है तो मुझे क्या दिखना चाहिए, और क्या वही दिख रहा है?" — उसने उस तथ्य से ज़्यादा टिकाऊ कुछ सीख लिया।

खुले सवाल ज़्यादातर समझ में नहीं, निर्माण में हैं। बड़े क्षेत्रफल पर सस्ती, बढ़ाई जा सकने वाली नियंत्रित नैनोसंरचना लगभग हर उपयोग की दीवार बनी हुई है। ऊँची संतृप्ति वाला बिना-आभा संरचनात्मक रंग आभा वाले से कठिन है और ज़्यादातर उत्पाद उसी को चाहेंगे। यांत्रिक टिकाऊपन और गंदगी से बचाव, अपने महत्व के मुक़ाबले कम खोजे गए हैं। और बदल सकने वाला या प्रतिक्रियाशील संरचनात्मक रंग — यानी ऐसी संरचनाएँ जो नमी, खिंचाव या किसी रसायन के जवाब में अपनी दूरी बदल दें, और बिना बिजली व बिना उपकरण के रंग-बदल सेंसर बन जाएँ — इस क्षेत्र की ज़्यादा भरोसेमंद दिशाओं में है।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

अगर नीले पंख रैले प्रकीर्णन नहीं हैं, तो आसमान नीला क्यों है?

आसमान सचमुच रैले प्रकीर्णन है, और यही तुलना सिखाने लायक़ है। वायुमंडल में प्रकाश की तरंगदैर्घ्य से कहीं छोटे अणु छोटी तरंगदैर्घ्य को लंबी के मुक़ाबले कहीं ज़्यादा बिखेरते हैं, जिसमें कोई तय दूरी शामिल नहीं और बिखेरने वालों के बीच कोई व्यतिकरण नहीं — इसलिए असर एक चिकनी तरंगदैर्घ्य-निर्भरता है, कोई निश्चित रंग नहीं। पंख में हवा की रिक्तियों का नाप और दूरी एकसमान है, इसलिए बिखरी तरंगें एक ख़ास पट्टी पर रचनात्मक रूप से जुड़ती हैं। सुनने में मिलते-जुलते, पर भौतिकी अलग और दिखने वाला बर्ताव अलग।

कुछ संरचनात्मक रंग कोण के साथ क्यों बदलते हैं और कुछ नहीं?

क्योंकि संरचना कितनी व्यवस्थित है, यह अलग-अलग है। परतों के नियमित ढेर में पथ-अंतर एक ही निश्चित होता है, और वस्तु झुकाने पर वह बदल जाता है, इसलिए लौटा हुआ रंग खिसक जाता है — यही इंद्रधनुषी आभा है। अर्ध-व्यवस्थित संरचना में दूरी तो एकसमान होती है पर दूर तक कोई संरेखण नहीं, इसलिए हर दिशा में वही रचनात्मक व्यतिकरण बनता है और रंग टिका रहता है। इस्तेमाल में दोनों बिलकुल अलग दिखते हैं, और इनमें से चुनना असली डिज़ाइन-फ़ैसला है।

क्या संरचनात्मक रंग अँधेरे में दिखता है?

नहीं, और कोई भी रंग नहीं दिखता। संरचनात्मक रंग आती हुई रोशनी को चुनकर लौटाता है; वह रोशनी बनाता नहीं। इसे कभी-कभी जैव-संदीप्ति समझ लिया जाता है, जो रासायनिक अभिक्रिया से फ़ोटॉन बनाती है, और प्रतिदीप्ति समझ लिया जाता है, जो एक तरंगदैर्घ्य पर सोखकर दूसरी पर छोड़ती है। तीनों अलग हैं, और बाहरी स्रोत के बिना रोशनी सिर्फ़ बाद वाली दो देती हैं।

भीगा पंख या भीगा कपड़ा गहरा और कम नीला क्यों दिखता है?

क्योंकि पानी उन हवा वाली जगहों को भर देता है जिन पर संरचना टिकी है। व्यतिकरण के लिए मटेरियल और रिक्तियों के अपवर्तनांक में फ़र्क़ चाहिए; हवा की जगह पानी आते ही वह फ़र्क़ बहुत घट जाता है और असर कमज़ोर पड़ जाता है या मिट जाता है। सूखने पर रंग लौट आता है — और यही अच्छा प्रदर्शन है कि इसमें कहीं भी कुछ रासायनिक नहीं था।

क्या संरचनात्मक रंग घर पर बनाया जा सकता है?

सबसे आसान रूप पहले से जाना-पहचाना है: पानी पर तेल की पतली परत व्यतिकरण के रंग दिखाती है, और तार के छल्ले में बना साबुन का पर्दा भी — जिस पर आप पट्टियों को खिसकते देख सकते हैं और अंदाज़ा लगा सकते हैं कि फूटने से ठीक पहले वह कहाँ काला पड़ेगा। वह कालापन इसलिए आता है कि परत चौथाई तरंगदैर्घ्य से भी कहीं पतली हो जाती है, इसलिए दोनों परावर्तन पूरे दृश्य वर्णक्रम में एक-दूसरे को काट देते हैं — ठीक वही कटाव जो परावर्तनरोधी कोटिंग जान-बूझकर पैदा करती है।